《用油膜法估测分子的大小》实验有感

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对于物质分子大小的测量，利用现代技术，像离子显微镜或扫描隧道显微镜已经能观察到物质表面的分子。但是，这毕竟离中学物理太远，高中物理课本中新设置的“用油膜法估测分子的大小” 学生分组实验，设计思想十分巧妙，它用宏观量的测量来估测微观量的数值，不仅弥补了这一遗憾，而且有利于学生的科学思维方法的培养；有利于学生深化对微观世界的认识，提高学生的实验技能、技巧，有利于学生的良好素质的培养。因此，应该充分利用这一教学资源，引导学生大胆猜想，提出各种假设、理清实验的设计思想，把握住关键步骤进行实验探究，收集实验数据，得出实验结论。让学生在学习物理知识与技能的同时，提高科学探究的能力。下面是我在“用油膜法估测分子的大小” 学生分组实验教学中的几点做法和体会。
　　首先，要创设物理情景，弄清楚学生实验的设计思想。油膜法估测分子大小的实验在于它的巧妙构思，但分子毕竟太渺小，显得很抽象，我首先引导学生在宏观世界建立微观物理模型，让他们提出各种假设、类比，有一同学提出的“把一筐的乒乓球倒入水中，在水面上散开形成的图形模拟油酸在水面形成的油膜”，得到同学的认可。这样的猜想来自学生的生活经验，我从不追求其严密的逻辑性，及时地给予肯定。
　　这时，我看时机成熟，便把从网上下载的如图所示的课件，展示给同学看。实际上油酸的化学分子式是C17H33COOH，它的一个分子可以设想为两部分组成：一部分是C17H33，它不受水的吸引；另一部分是COOH，它对水有很强的亲合力。经过酒精稀释的油酸滴在水面上形成近似圆形的油膜，酒精溶于水并挥发后，在水面上形成一层单分子纯油酸层，其中C17H33冒出水面，而COOH部分在水中。估算油酸分子的最大长度只需求出这层油膜的厚度即可。最后再展示我国科学家用扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面原子结构排布图的照片。这样，学生建立起来的物质分子的物理模型具体又形象。
　　这一实验的另一巧妙构思，是利用酒精稀释油酸，将其配制成1：200的油酸溶液，降低了单位体积内的油酸分子含量，再取其中一滴，两次缩小，减少了油酸的含量，使一滴油酸形成的薄膜面积减小到几百平方厘米，达到中学实验室可测水平。最终把微观量与宏观量联系起来，实现了通过测定宏观量来估测微观量的目的。这部分内容教学中以讲授为主，学生还能接受，但在课堂练习中，要求计算出一滴酒精油酸溶液中油酸的体积，正确率仅为62.6%，这一方面是因为学生的运算能力比较差，另一方面也暴露了以讲授为主的课堂教学存在着弊病。
其次，要独立进行实验操作，实施实验方案。理清了实验的设计思想，提高了认识，并不意味着实验一定能成功，操作中还需注意一系列问题，否则还是不能很好地完成分组实验的教学。油膜法估测分子大小的实验，在培养学生观察能力、操作能力上很有特色。
　　实验中，用注射器吸入适量配制成1：200的酒精油酸溶液，向量筒中滴n滴酒精油酸溶液为1ml,以求出一滴酒精油酸溶液的体积。这一步骤，一方面针筒要缓慢推动，掌握好力度，另一方面又要细心计数滴数。但实际操作中，“缓慢”二字对部分同学来说实在太难，要么推不动，要么用力太大，液滴成串流出,我在一旁静静地看着，决不在他们面前做示范，心想真要让他们好好动一动手。果然，几个来回，动作要领已被同学们掌握。
　　这一实验的另一步骤是：用边长约为30－40cm的浅盘倒入约2 cm深的水。待盆中水静止后。再小心弹撒爽身粉粉末，我细心地观察同学们弹撒粉末是否均匀，厚薄是否适宜。看着他们使用注射器吸入酒精油酸溶液，然后小心翼翼地控制力度仅使一滴油酸滴入粉末中心处。然而，滴入酒精油酸溶液后形成油酸薄膜的形状出现了异常情况，油酸薄膜的形状呈放射星状，一直裂开到盘子的边缘，一组、两组，怎么会连续这么多组出现同一状况呢？由于我准备实验非常的顺利，面对这一突发事件，我不知所措，但很快我就冷静下来，“同学们，咱们来分析一下出现这一状况的原因 ？”听到我的提议，全班先是静默，一会儿就议论开了，“窗户没有关掉，风会扰动油膜稳定。”实验前，我提醒关掉电扇，创造一个风定水静的环境。但从窗户吹进的风，确实没有考虑到。这一建议，立即被大家采纳，一扇扇的窗户马上关掉。“老师，刚才撒放爽身粉时，我发现爽身粉结成块，会不会是变质了？”“粉层过厚、不均匀，可能也会造成影响？”同学们你一言我一语议论开了，作为后勤部长的我，只好更换爽身粉，并吩咐实验时爽身粉要轻轻地均匀地撒放，粉层不可过厚，并鼓励他们从头再来。这时我也意识到造成实验失败的主要原因应该是撒放爽身粉的粉层过厚、且不均匀。
　　重做实验时，盘的边缘倒出水后所残留的油酸，会在水面上形成很薄的油酸层，影响油滴的扩散效果。因此，我要求学生先用脱脂棉醮少量酒精擦干净，再用清水冲洗，以保持盘子的清洁。这一细节的和盘托出，是为了确保实验的顺利进行。
　　新一轮的实验又开始了，看着同学往浅盘中注入清水，耐心等待水面平静，再在盘中央洒上爽身粉，片刻之后，爽身粉在水面上即扩散为均匀的爽身粉薄层，当一同学小心地将注射器中的酒精油酸溶液滴入粉末中心时，我屏住呼吸观察，油酸薄膜的液面扩散又收缩到稳定，在水面上形成近似圆形的油膜。看，他们成功了！另一同学迅速将有机玻璃板轻轻盖到浅盘上，小心地用水彩笔在板上描绘出油酸薄膜的轮廓图。看着这来之不易的“研究成果”，同学们成功的喜悦，溢于言表。
　　说明一下，新一轮实验的一个细节，爽身粉洒在盘中央，会在水面上扩散为均匀的薄层，也是一同学的“经验”之谈，并在全班推广的。其中道理我也是课后才弄清楚，主要由两种因素造成：第一，水的表面张力系数大于油酸；第二，粉粒之间的相互排斥。另外，由于前次实验中油酸的残留，会在水面上形成很薄的油酸层，若将粉散在水面上，而不是前面所述加在水面中央让其扩散，则整个粉层上会有残留油酸间隙，影响了后来实验中的油滴扩散效果。
最后一点，要注意对学生科学态度的熏陶，培养学生的科学素养。在油膜法估测分子大小实验中，最后为收集数据，得出结论的阶段，即把有机玻璃板盖在坐标纸上，求出油酸薄膜的面积S。根据计算出一滴酒精油酸溶液中油酸的体积V，再算出油酸薄膜厚度L＝V/S,为油酸分子的大小。这里的每一步，都不可避免存在着实验误差。我严格要求学生，实事求是，忠于实验数据；尊重客观事实，避免主观臆断。
　　经过不懈地努力，绝大部分学生都较好地完成了这一实验，得出了正确结论。看着他们汗流浃背的身影，我想，此实验定会让他们回味长久，从内心感受成功的快乐，从而培养不屈不挠、求真务实的科学探究精神。
　　尽管“用油膜法估测分子的大小” 学生分组实验教学已经过去几天了，实验中出现的许多问题，具有挑战性，我通过上网查资料，做实验，又弄清楚了好几个细节上的问题，比如： “当针头*水面很近，油酸未滴下时，会发现针尖下方的粉层已被排开，是由于针头中酒精挥发所致”“油酸滴下之前，用嘴轻轻把粉层吹开，再滴油酸，油滴扩散效果比较好”等等。看来，被这一探究实验深深吸引的不仅仅是学生，还有我自己教学反思《《用油膜法估测分子的大小》实验有感》一文版权归作者所有,转载请注明出处!